METABOLISME SEL:KATABOLISME

METABOLISME SEL:KATABOLISME

Berbagai reaksi kimia yang berlangsung dalam tubuh makhluk hidup untuk mempertahankan hidup disebut metabolisme.
Metabolisme terbagi menjadi 2 bagian, yaitu anabolisme dan katabolisme. Anabolisme adalah reaksi kimia yang memerlukan energi untuk membentuk senyawa kompleks dari senyawa sederhana. Katabolisme adalah reaksi kimia yang menghasilkan energi dengan memecah senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana.
Dalam tubuh organisme, terdapat ribuan proses kimia yang berlangsung melibatkjan ribuan enzim. Karena itu, produk suatu enzim bisa menjadi substrat bagi enzim lainnya. Semua reaksi kimia dalam organisme hidup diatur dengan mengatur kerja katalisator.

ENZIM
Enzim merupakan pemercepat laju reaksi kimia tanpa ikut bereaksi didalamnya, atau disebut juga katalisator. Karena enzim terdapat di dalam organisme hidup maka enzim disebut biokatalisator. Enzim bekerja spesifik(hanya dapat mengikat 1 jenis substrat) dan diperlukan dalam jumlah sedikit.

Sebagian besar enzim terdiri dari protein globular(apoenzim) dengan 1 atau lebih celah yang disebut sisi aktif pada permukaannya. Substrat menempel pada sisi aktif enzim dan membentuk kompleks enzim-substrat. Disini energi aktivasi untuk memutuskan ikatan kimia atau membentuk ikatan kimia baru substrat diturunkan. Setelah proses selesai, substrat sudah menjadi produk dan segera lepas enzim, sehingga enzim dapat bekerja mengikat substrat lagi.

Enzim bekerja secara reversible dan berulang-ulang. Dengan kata lain, suatu enzim dapat merubah substrat menjadi produk dan produk kembali menjadi substrat. Enzim bekerja mengikat substrat baru setelah produk dihasilkan sampai kebutuhan akan produk sudah terpenuhi.

Kerja katalis enzim dipengaruhi oleh konsentrasi substrat dan enzim yang bekerja itu sendiri. Apapun yang mempengaruhi enzim dapat merubah struktur 3 dimensinya dan kemampuannya untuk mengikat substra. Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim:
1. Suhu. Menaikkan suhu pada reaksi yang tidak dikatalisasi dapat meningkatkan laju reaksi kimianya karena tambahan energi meningkatkan pergerakan molekul. Laju reaksi terkatalisasi-enzim juga ditingkatkan oleh suhu, tapi hanya mencapai titik yang disebut suhu optimum. Dibawah suhu ini, ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik yang menentukan bentuk enzim tidak cukup fleksibel untuk mengizinkan pengikatan optimal untuk katlis. Di bawah suhu, gaya ini terlalu lemah untuk menahan bentuk enzim melawan kenaikan pergerakan acak atom-atom pada enzim. Pada suhu yang lebih tinggi, enzim terdenaturasi, struktur proteinnya berubah sehingga tidak bisa digunakan untuk reaksi kimia alias rusak. Namun, pada suhu yang rendah, enzim menjadi tidak aktif.
2. pH. Interaksi ionik antara residu asam amino yang berlawanan muatan, seperti asam glutamat(-) dan lisin(+), juga menyanggah enzim bersama. Interaksi ini sangat sensitif konsentrasi ion dimana biasanya enzim terlarut karena begitu konsentrasinya berubah, keseimbangan antara residu asam amino yang bermuatan positif dan negatif akan berubah. Karena itu, kebanyakan enzim bekerja pada pH optimum dari 6-8. Namun, enzim yang bekerja pada kondisi yang sangat asama, seperti pepsin, dpat mempertahankan bentuk 3 dimensional proteinnya di dalam konsentrasi tinggi ion hidrogen.
3. Penghambat (inhibitor) dan pengaktivasi (aktivator). Kerja enzim sangat sensitif terhadap kehadiran substansi yang dapat mengikat enzim dan menyebabkan bentuk enzim itu berubah. Namun, melalui substansi ini, sel dapat mengatur kapan enzim aktif dan tidak aktif pada waktu tertentu. Kemampuan ini membuat sel dapat meningkatkan efisiensi dan mengontrol perubahan karakteristik selama perkembangn. Substansi yang mengikat enzim dan menurunkan aktivitasnya disebut inhibitor(penghambat). Banyak kejadian bahwa dimana suatu produk akhir dari jalur metabolisme menjadi penghambat pada reaksi awal., proses ini disebut mekanisme penghambat. Penghambatan ini ada 2 cara: penghambat kompetitif yang melekat pada sisi aktid enzim sehingga enzim tidak dapat berikatan dengan substrat dan penghambat non-kompetitif yang berikatan pada bagian lain enzim sehingga bentuk sisi aktif enzim berubah dan tidak dapat berikatan dengan substrat. Cara yang sama digunakan untuk mengaktivasi enzim. Pengaktivasi allosterik mengikat pada bagianlain enzim(allosterik) dan membuat enzim bekerja lebih dari biasanya.
4. Kofaktor enzim. Fungsi enzim biasanya diikuti oleh suatu zat kimia yang disebut kofaktor, yang bisa berupa ion besi. Jika kofaktornya adalah molekul organik nonprotein maka disebut koenzim.

ATP
Semua transaksi kimia di dalam sel menggunakan mata uang energi yaitu nukleotidak Adenosin Trifosfat, yang memberi energi untuk setiap kegiatan sel.

ATP tersusun oleh 3 bagian yaitu gula 5 karbon yaitu ribosa, basa nitrogen purin dengan 2 cincin karbon-nitrogen, adenin dan rantai 3 fosfat.

Rahasia bagaimana ATP menyimpan energi terdapat pada grup trifosfatnya. Grup fosfat ini sangat bermuatan negatif dan mereka berikatan satu sama lain dengan kuat, namun ikatan kovalen yang menggabungkan fosfat tidak stabil. Ikatan yang tidak stabil ini membuat fosfta di dalam ATP punya energi aktivasi yang rendah dan mudah putus akibat hidrolisis. Saat putus, mereka mengluarkan jumlah energi yang besar. Dengan kata lain, hidrolisis ATP mempnuyai ∆G negatif dan energi yang dikeluarkan dapat digunakan untuk aktivitas.
Dalam sebagian reaksi yang melibatkan ATP, hanya ikatan fosfat berenergi tinggi paling luar saja yang dihidrolisis, memisahkan grup fosfat yang paling akhir. Saat ini terjadi, ATP menjadi Adenoisin Difosfat(ADP) ditambah 1 fosfat anorganik(Pi). 2 terminal gugus fofat paling luar bisa dihidrolisis sehingga tersisa Adenosin Monofosfat(AMP), namun gugus fosfat yang terakhir ini tidak berenergi tinggi.


KATABOLISME : RESPIRASI SELULER
Tumbuhan, alga dan beberapa bakteri mengambil energi dari sinar matahari melalui fotosintesis, merubah energi cahaya menjadi energi kimia, untuk digunakan membuat makanan disebut organisme autotrof.. Sebaliknya, oprganisme yang hidup dari hasil produksi organisme autotrof atau tidak bisa membuat makan sendiri disebut organisme heterotrof. Organisme heterotrog memecah makanan mereka menjadi energi. Proses oksidasi senyawa organik untuk mendapat energi dari pemutusan ikatan kimia pada tingkatan sel disebut respirasi seluler. Ada 2 macam respirasi yaitu respirasi aerob dan respirasi anaerob.

RESPIRASI AEROB
Proses repirasi disebut aerob karena dibutuhkan oksigen sebagai akseptor elektron, selain itu disebut respirasi anaerob atau fermentasi. Respirasi aerob terdapat 4 tahap utama yaitu Glikolisis, Dekarboksilasi Oksidatif, Siklus Krebs dan Transpor Elektron.

Glikolisis adalah 10 tahap pertama biokimia yang menghasilkan ATP pada fosforilasi tingakt substrat. Untuk 1 molekul glukosa, 2 ATP digunakan pada 3 tahap pertama dan 4 ATP dihasilkan pada 4 tahap terakhir. Hasil kotor glikolisis yaitu 2 molekul asam piruvat(3C), 2 ATP, 2 NADH dan 2 H2O. Glikolisis terjadi di sitosol/sitoplasma dan bisa dianggap proses anaerob karena belum menggunakan oksigen. Ringkasan tahapan glikolisis:
• Fosforilasi glukosa oleh ATP
• Penyusunan kembali struktur glukosa yang terfosforilasi, diikuti oleh fosforilasi kedua.
• Molekul glukosa(6C) akhirnya pecah menjadi 2 senyawa 3 karbon berlainan yaitu Glyceraldehyde 3 phosphate (G3P atau PGAL) dan satunya lagi yaitu Dihydroxylacetone phosphate (DHAP). DHAP segera diubah menjadi PGAL oleh enzim isomerase. (Proses perubahan ini mencapai kesetimbangan di dalam tabung reaksi namun hal ini tidak terjadi di dalam tubuh makhluk hidup)
• Oksidasi yang diikuti oleh fosforilasi dari fosfat anorganik(bukan dari ATP) menghasilkan 2 NADH dan 2 molekul difosfogliserat(BPG/PGA), masing-masing dengan 1 ikatan fosfat berenergi tinggi
• Pelepasan ikatan berenergi tinggi dengan 2 ADP menghasilkan 2 ATP dan meninggalkan 2 molekul fosfogliserat(PGA)
• Pelepasan air menyebabkan 2 molekul fosfoenolpiruvat dengan ikatan fosfat energi tinggi
• Pelepasan fosfat energi tinggi oleh 2 ADP menghasilkan 2 ATP dan hasil akhir glikolisis yaitu 2 molekul asam piruvat.

Enzim-enzim dalam proses glikolisis yaitu:
-Heksokinase: Fosforilasi glukosa oleh ATP sehingga menghasilkan glukosa 6 fosfat
-Fosfoglukoisomerase: Penyusunan molekul glukosa terfosforilasi menjadi fruktosa terfosforilasi(fruktosa 6 fosfat)
-Fosfofruktokinase: Fosforilasi fruktosa 6 fosfat oleh ATP sehingga menghasilkan Fruktosa 1,6 Difosfat
-Aldolase:Memecah fruktosa 1,6 difosfat menjadi dihidroksilaseton fosfat dan gliseraldehida 3 fosfat
-Isomerase:Mengubah semua dihidroksilaseton fosfat menjadi gliseraldehida 3 fosfat
-Gliseraldehida 3 fosfat dehidrogenase atau triosa fosfat dehidrogenase: Fosforilasi Gliseraldehida 3 fosfat oleh fosfat anorganik dari sitosol, oksidasi untuk membentuk NADH sehingga menghasilkan 1,3 difosfogliserat
-Fosfogliserokinase: Pelepasan gugus fosfat untuk membentuk ATP sehingga menghasilkan 3 fosfogliserat
-Fosfogliseromutase: Merubah 3 fosfogliserat menjadi 2 fosfogliserat
-Enolase Menghasilkan air sehingga terbentuk fosfoenolpiruvat
-Piruvat kinase Pelepasan gugus fosfat untuk membentuk ATP sehingga hasil akhir berupa asam piruvat

Dekarboksilasi oksidatif adalah tahap kedua dimana 2 molekul asam piruvat yang dihasilkan dari 1 molekul glukosa dirubah menjadi senyawa berkarbon 2 yaitu asetil CoA(asetil koenzim A) dengan melepaskan 2 CO2 dan 2 NADH. Dekarboksilasi oksidatif terjadi di dalam membran luar mitokondria. Enzim yang berperan adalah CoA dan piruvat dehirogenase yang berfungsi mereduksi piruvat sehingga melepaskan Co2 dan NADH serta berikatan dengan piruvat tereduksi(asetil) untuk dibawa ke mitokondria.

Siklus Krebs adalah tahap ketiga dengan 9 reaksi dimana gugus asetil dari piruvat dioksidasi sehingga menghasilkan NADH, FADH, ATP dan CO2. Siklus ini dinamakan siklus Krebs karena ditemukan oleh Hans Krebs. Siklus Krebs bisa disbut juga siklus asam sitrat karena senyawa yang pertama kali terbentuk adalah asam sitrat. Siklus Krebs terjadi di matriks mitokondria dan ringkasan tahapannya sebagai berikut:
• Asetil CoA ditambah Oksaloasetat menghasilkan molekul sitrat yang berkarbon 6.
• Penyusunan kembali molekul sitrat dan dekarboksilasi. 5 reaksi berikutnya menyederhanakan sitrat ke molekul 5 karbon dan kemudian ke molekul 4 karbon yaitu suksinat. Selama reaksi ini berlangsung, dihasilkan 2 NADH dan 1 ATP.
• Regenerasi oksaloasetat. Suksinat melewati 3 reaksi tambahan untuk menjadi oksaloasetat. Selama proses ini, dihasilkan 1 NADH dan 2 FADH.

Enzim-enzim yang digunakan:
-Sitrat sintetase: Membentuk sitrat dari oksaloasetat dan asetil CoA. Kerja enzim ini irreversible dan terhambat saat konsentrasi ATP tinggi dan dipicu ketika konsentrasi ATP rendah
-Akonitase: Penyusunan kembali molekul sitrat dengan memindahkan gugus H dan OH pada karbon berlainan, membentuk isositrat
-Isositrat dehidrogenase: Mengoksidasi isositrat sehingga dihasilkan NADH dan CO2, sehingga isositrat berubah menjadi molekul 5 karbon, α ketoglutarat
-α ketoglutarat dehidrogenase: Mengoksidasi α ketoglutarat membentuk gugus suksinil yang bersatu dengan Coa sehingga terbentuk suksinil CoA
-Suksinil KoA sintetase: Pelepasan ikatan antara gugus suksinil dan KoA untuk dijadikan ATP sehingga molekul tersisa menjadi Suksinat
-Suksinat dehidrogenase: Mengoksidasi suksinat menjadi fumarat dan menghasilkan FADH
-Fumarase: Menambahkan air ke fumarat untuk membentuk malat
-Malat dehidrogenase: Mengoksidasi malat dan melepaskan NADH sehingga terbentuk kembali oksaloasetat

Rantai transport elektron adalah proses terakhir untuk mengahsilkan ATP, H2O yang terjadi di membran dalam/krista mitokondria. Pada tahap ini, elektron yang dibawa oleh NADH ditransfer ke berbagai pembawa elektron supaya energinya bisa digunakan untuk memompa proton. Gradien proton yang dibuat oleh transpor elektron digunakan oleh enzim ATP sintase untuk menghasilkan ATP. Proses pemompaan proton untuk menghasilkan ATP juga disebut kemiosmosis.

Enzim-enzim yang terlibat anatara lain NADH dehidrogenase (melepaskan ion H dari NAD dan mengoper elektron ke ubiquinon), ubiquinon (mengoper elektron ke komplek protein sitrokrom), kompleks bc1 (memompa proton dan mengoper elektron ke sitrokrom c), sitokrom c (mereduksi oksigen dengan 4 elektron membentuk air), ATP sintase (memompa proton untuk menghasilkan ATP).

Hasil akhir respirasi seluler:
1. Glikolisis, hasil 2 ATP, 2 piruvat, 2 NADH, 2 H2O
2. Dekarboksilasi oksidatif, hasil 2 NADH, 2 CO2
3. Siklus Krebs, hasil 6 HADH, 2 FADH, 4 CO2, 2 ATP
4. Transpor elektron, hasil 34 ATP, H2O.

Jumlah bersih ATP : 38 ATP(36 ATP karena 2 ATP dipakai untuk memasukkan NADH ke mitokondria, 30 ATP karena membran mitokondria agak bocor sehingga proton bisa lewat tanpa melalui ATP sintase dan mitokondria terkadang memakai gradien proton untuk keperluan lain seperti memasukkan piruvat ke matriks daripada sintesis ATP).

RESPIRASI ANAEROB
Jika tak ada oksigen, sel tidak memliki akseptor elektron alternatif untuk memproduksi ATP, sehingga terpaksa elektron yang didapatkan dari glikolisis diangkut oleh senyawa organik, proses ini disebut fermentasi.

Fermentasi alkohol dilakukan oleh ragi dengan cara melepaskan gugus Co2 dari piruvat melalui dekarboksilasi dan menghasilkan molekul 2 karbon, asetaldehida. Asetaldehida kemudia menerima elektron dari NADH sehingga berubah menjadi etanol. Fermentasi alkohol dilakukan oleh tumbuhan.

Fermentasi asam laktat dilakukan oleh sel hewan dengan cara mentransfer elektron dari NADH kembali ke piruvat sehingga dihasilkan asam laktat yang menyebabkan pegal-pegal.